Оперативные запоминающие устройства

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени.

ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Как уже говорилось ранее при выполнении сложных задач, для которых не хватает емкости оперативной памяти для размещения сразу всей информации, необходимой для их решения, увеличение объема ОЗУ приводит и к увеличению производительности ПК. Происходит это потому, что непосредственно в процессе решения приходится дополнительно обращаться к ВЗУ, и на это тратится много времени (быстродействие ВЗУ в миллионы раз меньше быстродействия ОЗУ).

Основу ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы МОП-транзисторов, использующих для хранения информации либо собственные паразитные емкости между затвором и истоком, либо дополнительные конденсаторы. Наличие заряда в конденсаторе обычно означает «1», отсутствие заряда — «0».

Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти — небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы — слоты на системной плате. На СП может быть несколько групп разъемов — банков для установки модулей памяти; в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости, например, только по 16 Мбайт или только по 64 Мбайт; блоки разной емкости можно устанавливать только в разных банках.

Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обращения и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современных модулей памяти весьма высокая — среднее время наработки на отказ составляет сотни тысяч часов, но, тем не менее, предпринимаются и дополнительные меры повышения достоверности информации. Одним из направлений, повышающих достоверность функционирования подсистемы памяти, является использование специальных схем контроля и избыточного кодирования информации.

Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (non parity) хранимых битов данных. Контроль по четности позволяет лишь обнаружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок — ECC-память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок [4, 6, 14].

  Некоторые недобросовестные фирмы, с целью повышения конкурентоспособности своих изделий в глазах неопытных покупателей, ставят в модули памяти специальный имитатор четности — микросхему-сумматор, выдающую при считывании ячейки всегда правильный бит четности. В этом случае никакого контроля нет, а лишь имитируется его выполнение. Надо сказать, что эта имитация иногда и полезна, так как существуют системные платы, требующие для своей корректной работы присутствия бита контроля четности.

Виды модулей оперативной памяти

Существуют следующие виды модулей оперативной памяти: DIP; SIP; SIPP; SIMM; DIMM; RIMM.

DIP, SIP и SIPP

DIP (Dual In-line Package — корпус с двухрядным расположением выводов) — одиночная микросхема памяти, сейчас используется только в составе более укрупненных модулей (в составе модулей SIMM, например). SIP (Single In-line Package — корпус с однорядным расположением выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально. SIPP (Single In-line Pinned Package — корпус с однорядным расположением проволочных выводов) — 30-контактный (штырьковый) модуль. Модули SIP и SIPP сейчас практически не применяются.

SIMM

SIMM (Single In-line Memory Module) представляют собой печатную плату с односторонним краевым разъемом типа слот и установленными на ней совместимыми микросхемами памяти типа DIP. Микросхемы SIMM бывают двух разных типов: короткие на 30 контактов (длина 75 мм) и длинные на 72 контакта (длина 100 мм). Модули SIMM имеют емкость 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32 и 64Мбайт. Модули SIMM выпускаются с контролем и без контроля по четности и с эмуляцией контроля по четности. Память SIMM отличается также низким быстродействием — обычно она имеет время обращения 60 и 70 нс. Сейчас такое время обращения считается нежелательным, поэтому модули SIMM встречаются только в устаревших ПК.

DIMM

DIMM (Dual In-line Memory Module) — более современные модули, имеющие 168-контактные разъемы (длина модуля 130 мм); могут устанавливаться только на те типы системных плат, которые имеют соответствующие разъемы. Появление DIMM стимулировалось выпуском процессоров Pentium, имеющих 64-битовую шину данных. Необходимое число модулей памяти для заполнения шины называется банком памяти. В случае 64-разрядной шины для этого требуется два 32-битовых 72-контактных модуля SIMM или один 64-битовый модуль DIMM, имеющий 168 контактов. Модуль DIMM может иметь разрядность 64 бита (без контроля четности), 72 бита (с контролем четности) и 80 битов (память ECC). Емкость модулей DIMM: 16, 32, 64, 128, 256, 512 и 1024 Мбайт. Время обращения, характерное для современных модулей DIMM, работающих на частоте 100 и 133 МГц (модули PC100, PC133), лежит в пределах 6–10 нс.

RIMM

RIMM - Rambus In-line Memory Module. Появление технологии Direct Rambus DRAM потребовало нового конструктивного исполнения для модулей памяти. Микросхемы Direct RDRAM собираются в модули RIMM, внешне подобные стандартным DIMM. На плате модуля RIMM может быть до 16 микросхем памяти Direct RDRAM, установленных по восемь штук с каждой стороны платы. Модули RIMM могут быть использованы на системных платах, BIOS и чипсеты которых согласованы с данным типом памяти.

На системной плате предусматривается до четырех разъемов под данные модули. Необходимо отметить, что модули RIMM требуют интенсивного охлаждения. Это связано со значительным энергопотреблением и, соответственно, тепловыделением, что обусловлено высоким быстродействием данных модулей памяти (время обращения 5 нс и ниже). Хотя внешне модули RIMM напоминают модули DIMM, они имеют меньшее число контактов и с обеих сторон закрыты специальными металлическими экранами, которые защищают модули RIMM, работающие на больших частотах, экранируя их чувствительные электронные схемы от внешних электромагнитных наводок.

Типы оперативной памяти

Имеются следующие типы оперативной памяти: FPM DRAM; RAM EDO; BEDO DRAM; SDRAM; DDR SDRAM; DRDRAM.

FPM DRAM

FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM) — динамическая память с быстрым страничным доступом, активно использовалась c микропроцессорами 80386 и 80486. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержании RAS (Row Аddress Strobe) допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого CAS (Сolumn Аddress Strobe). Это позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей. Страничный доступ используется и в SDRAM памяти.

Существуют две разновидности FPM DRAM, отличающиеся временем обращения: 60 и 70 нс. Ввиду своей медлительности они не эффективны в системах с процессорами уровня Pentium. Модули FPM DRAM в основном выпускались в конструктиве SIMM.

RAM EDO

RAM EDO (EDO— Extended Data Out, расширенное время удержания (доступности) данных на выходе) фактически представляет собой обычные микросхемы FPM, к которым добавлен набор регистров-«защелок», благодаря чему данные на выходе могут удерживаться в течение следующего запроса к микросхеме. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходе содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последовательных массивов данных. При случайной адресации такая память никакого выигрыша в быстродействии не дает. Память типа RAM EDO имеет минимальное время обращения 45 нс и максимальную скорость передачи данных по каналу процессор-память 264 Мбайт/с. Модули RAM EDO выпускались в конструктивах SIMM и DIMM.

BEDO DRAM

BEDO DRAM (Burst Extended Data Output, EDO с блочным доступом). Современные процессоры, благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд и данных, обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной длины. Этот вид памяти позволяет обрабатывать данные пакетно (блоками) так, что данные считываются блоками за один такт. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек — достаточно стробировать переход к очередному слову блока. Активную конкуренцию этому виду памяти составляет память SDRAM, которая постепенно ее и вытесняет. BEDO DRAM представлена модулями и SIMM и DIMM.

SDRAM

SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая память), память с синхронным доступом, увеличивает производительность системы за счет синхронизации скорости работы ОЗУ со скоростью работы шины процессора. SDRAM также осуществляет конвейерную обработку информации, выполняется внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где удается исключить дополнительные такты ожидания. Память SDRAM может устойчиво функционировать на высоких частотах: выпускаются модули, рассчитанные на работу при частотах 100 МГц (спецификация PC100) и 133 МГц (PC133). В начале 2000 года фирма Samsung объявила о выпуске новых интегральных микросхем (ИС) SDRAM с рабочей частотой 266МГц. Время обращения к данным в этой памяти зависит от тактовой частоты МП и достигает 5–10 нс, максимальная скорость передачи данных «процессор-память» при частоте шины 100 МГц составляет 800 Мбайт/с. Память SDRAM дает общее увеличение производительности ПК примерно на 25%. Правда, эта цифра относится к работе ПК без кэш-памяти, — при наличии мощной кэш-памяти выигрыш в производительности может составить всего несколько процентов. SDRAM выпускалась в 168-контактных модулях типа DIMM и имела 64-разрядную шину.

DDR SDRAM

DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM). Вариант памяти SDRAM, осуществляющий передачу информации по обоим фронтам тактового импульса. Это позволяет удвоить пропускную способность по сравнению с традиционной памятью SDRAM (например, до 1,6 Гбайт/с при частоте шины 100 МГц). Кроме того, DDR SDRAM может работать на более высокой частоте. Модули DDR DRAM конструктивно совместимы с традиционными 168-контактными DIMM.

В 2003 году появилась память DDR второго поколения DDR SDRAM2 или DDR2, в которой путем специальной фазовой подстройки и ряда других нововведений удалось увеличить пропускную способность памяти в два раза. Кроме того, частота передачи данных в памяти DDR 2 также увеличилась и в 2005 году достигла 800 МГц. Увеличению рабочей частоты DDR 2 способствует то, что напряжение электропитания схем снижено с 2,5 В до 1,8 В технологии изготовления модулей памяти DDR2 также произошли изменения: компания Samsung наладила производство DDR2-чипов по 0,08-мкм технологии вместо 09-мкм.

В 2005 году создали новый тип оперативной памяти DDR3, которая имеет более высокое быстродействие (частоты – 800, 1066, 1333, и 1600 МГц и за 1 такт эффективной частоты передает 4 элемента данных), напряжение питания - 1.5 В; технологию - 0.07 мкм; возможность мониторинга температуры памяти; уменьшение энергопотребления на 30% по сравнению с DDR2.

DRDRAM

DRDRAM (Direct Rambus DRAM — динамическая память с прямой шиной для RAM). DRDRAM — перспективный тип оперативной памяти, позволивший значительно увеличить производительность компьютеров. Высокое быстродействие памяти Direct RDRAM достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах. В частности, применением собственной двухбайтовой шины Rambus с частотой 800 МГц, обеспечивающей пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с. Контроллер памяти Direct RDRAM управляет шиной Rambus и обеспечивает преобразование ее протокола с частотой 800 МГц в стандартный 64-разрядный интерфейс с частотой шины до 200 МГц.

В маркировке SDRAM и DRDRAM (часто именуемой также как RDRAM) обычно указывается рабочая частота модуля в виде, например, обозначения PC150, что для SDRAM означает пиковую пропускную способность 1200 Мбайт/c — такую же, как у PC600 для DRDRAM (ввиду малой разрядности шины последней). Правда, многие чипсеты поддерживают двухканальный обмен с памятью, что удваивает ее пропускную способность.

Для DDRDRAM указание PC150 подразумевало бы пропускную способность 2400 Мбайт/с в 2 раза большую, нежели чем для SDRAM (ввиду передачи информации по двум фронтам импульса). Но для DDR принято в маркировке около букв PC указывать не рабочую частоту, а саму пропускную способность. То есть маркировка PC2400 для DDRDRAM означает DDR-память с рабочей частотой 150 МГц (возможное обозначение такой памяти как DDR150). Характеристики современных видов ОЗУ представлены в табл. 11.2.

Таблица 11.2. Характеристики современных видов ОЗУ

Параметр	DDR	DDR2	DDR3
Номинальные тактовые частоты, МГц	100, 133, 166, 200	100, 133, 166, 200	100, 133, 166, 200
Эффективные тактовые частоты, МГц	200, 266, 333, 400	400, 533, 667, 800	800, 1066, 1333, 1600
Номинальная пропускная способность, Гбайт/с	1,6, 2,1, 2,7, 3,2	3,2, 4,2, 5,3, 6,4	6,4, 8,5, 10,7, 12,8
Типовые задержки, циклы                  CS -CAS-RAS	4-4-12	5-5-15	7-7-15
Напряжение питания, В	2,5	1,8	1,5
Число выводов	184	240	240

Затраты времени на:

· непосредственное считывание/запись информации;

· выбор нужного чипа, с которым будет выполняться работа (CS – Chip Select),

· активизацию (стробирование) выбранной строки (RAS),

· выбор (стробирование) колонки (CAS).

Пока строка, на которую подан сигнал остается активной возможны считывание/запись на соответствующих ей ячейках памяти. Время, затрачиваемое на эти операции, называют таймингами (от англ. Time). Задержки на выполнение CS, RAS и CAS формируют общую латентность (latency) памяти, которая измеряется в тактах рабочей частоты.